CC BY
13
УДК 53.082.61
Д. В. Волосников, Д. А. Галкин, К. В. Лукьянов, А. А. Старостин, В. В. Шашни
МЕТОД ЭКСПРЕСС-КОНТРОЛЯ ОСТАТОЧНОГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ
В НЕФТЕПРОДУКТАХ ПО КОМПЛЕКСУ ИХ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ
Ключевые слова: импульсный нагрев, масла, следы воды.
На примере трансформаторного и дизельного масел показана применимость нового зондового метода мониторинга остаточного влагосодержания в нефтепродуктах по изменению их тепловых свойств в импульсно нагретом состоянии. Приведены результаты экспериментов с разными марками масел с влагосодержанием 5-50 ррm. Обосновывается целесообразность применения комплексного критерия оценки влагосодержания, включающего значения температуры вскипания среды и параметра обобщенного теплообмена измерительного зонда с исследуемой средой.
Keywords: pulse heating, oils, water traces.
On the example of transformer oils and diesel the applicability of the new probe method of monitoring the residual water content in petroleum products is shown. The method is based on the control of thermal properties for pulse heated state of substance. Experimental results with different brands of oils with a moisture content of 5-50 ppm are presented. Validity of applying an integrated evaluation criterion for the moisture content, which includes boiling-up temperature value and the parameter of generalized heat transfer through the probe surface has been revealed.
Введение
Масла и топлива в процессе хранения, транспортировки и эксплуатации могут вступать в контакт с окружающей средой, например, находиться в контакте с влажным воздухом. В зависимости от температуры окружающей среды и давления, уровень влагосодержания в них может претерпевать изменения, зачастую наблюдается повышение этого уровня. Нефтепродукты при определенном влагосодержании не могут быть использованы по своему предназначению и должны быть осушены [1]. В случае товарных нефтепродуктов критический уровень
влагосодержания составляет сотые-тысячные доли процента. Эксплуатация современного
маслонаполненного оборудования в
теплоэнергетике, двигателей наземного и воздушного транспорта с растворенными опасными примесями в их резервуарах и баках, в большинстве случаев с влагой, может быть небезопасной и приводить к аварийным ситуациям [2].
Существующая практика периодического контроля влажности технологических сред средствами лабораторного химического анализа не соответствует современным тенденциям
осуществления постоянного мониторинга критически важных параметров оборудования [3]. Известно, что теплофизические свойства водо-углеводородных смесей зависят от концентрации влаги [4]. Разработка технологически пригодных устройств для отслеживания остаточного уровня влаги в нефтепродуктах может быть выполнена на основе нового метода импульсного теплового контроля [3, 5, 6], построенного с учетом многолетней истории развития метода импульсного нагрева проволочного зонда [7]. Идея метода опирается на результаты исследования явления достижимого перегрева систем с ограниченной взаимной растворимостью компонентов в процессах их импульсного нагрева [8, 9].
Метод перегрева жидкостей на поверхности проволочного зонда
Источником тепла и одновременно чувствительным элементом служит тонкий проволочный зонд - термометр сопротивления, погружаемый в исследуемую жидкость. В наших опытах применяются зонды из платиновой и никелевой проволоки диаметром 20 мкм и длиной 35 мм. Измеряемыми в опыте эквивалентами служат, в зависимости от типа методики, напряжение разбаланса мостовой схемы, падение напряжения на зонде и на образцовом резисторе. По этим данным вычисляются значения среднемассовой температуры зонда Т(() и мощности его нагрева P(t) в зависимости от времени. Продолжительность нагрева зонда в жидкости и оценки параметров отклика составляет несколько миллисекунд. За это время прогревается только тонкий слой жидкости вблизи проволоки (~10 мкм), что позволяет отнести метод к числу неразрушающих методов с малым масштабом методического влияния на объект. Перегрев масел осуществляется относительно температуры начала терморазрушения в квазистатическом процессе, в отличие от простых жидкостей, перегреваемых относительно равновесной температуры кипения. Масло в подобном термонеустойчивом состоянии может существовать без изменений некоторое «время жизни», после чего происходит его спонтанное «вскипание» или, в общем виде, нарушение сплошности контакта с зондом [10]. Этот процесс сопровождается резким возмущением теплового режима. Малоинерционный проволочный зонд способен отреагировать на это возмущение, поэтому, отслеживая температуру зонда во времени по его сопротивлению, можно судить о значениях «времени жизни» и температуры «вскипания».
Кроме того, известно, что проволочный зонд может служить датчиком баланса между источниками и стоками тепла с точностью до
концевых потерь, а значит реагировать на изменение интенсивности теплообмена в системе. Экспериментально показано, что температура вскипания и интенсивность теплообмена в контролируемой жидкости будут сильно зависеть от концентрации летучей примеси, если зонд нагревается до температуры, близкой к температуре спонтанного вскипания чистой жидкости. Для масел и топлив диапазон температур вскипания при импульсном нагреве зависит от состава (марки) и составляет при атмосферном давлении 150-400оС. Понятно, что требуется индивидуальная настройка на конкретный тип контролируемой жидкости. После настройки можно различать содержание влаги с разрешением лучше 10 ррм. В данной работе представлены результаты наших измерений на образцах трансформаторных масел и дизельного топлива с актуальным уровнем влагосодержания, характерным для условий применения.
Экспериментальная часть
Опыты выполнены с использованием двух взаимодополняющих методик нагрева проволочного зонда. Обе методики выполняют первоначальный быстрый нагрев зонда до заданного значения температуры за 50-100 мкс. Затем следует измерительный участок длительностью несколько миллисекунд, на котором методики отличаются по точности удержания достигнутой температуры. Первая методика осуществляет так называемый режим «термостабилизации» зонда на измерительном участке с точностью в единицы градусов и используется в лабораторных исследованиях [11]. Вторая методика используется в приборной реализации по упрощенной «двухимпульсной» схеме, допускающей охлаждение и повторный нагрев зонда с отклонением до 10-20% от заданного значения температуры [3, 5, 6]. Соответственно, для оценки интенсивности теплообменных процессов в первой методике используется зависимость мощности нагрева зонда, необходимой для его термостабилизации при избранной температуре, от времени, а во второй -температурно-временная зависимость на измерительном участке. Увеличение интенсивности теплообмена для первой методики выражается в увеличении мощности, затрачиваемой для термостабилизации зонда, а для второй - в уменьшении темпа повторного «догрева» зонда.
Характерный вид зависимости мощности термостабилизации от времени для «чистого» и «влажного» трансформаторного масла показан на рис. 1. Характерные температурно-временные зависимости нагрева зонда по двухимпульсной методике, записанные на измерительном участке (участке повторного «догрева» зонда) для двух образцов дизельного масла приведены на рис. 2.
В опытах установлено, что различие термограмм по второй методике значительно более выражено, чем различие в мощности нагрева по первой методике. Температура зонда интегрально
Продолжительность нагрева, мс
Рис. 1 - Схема опыта в режиме термостабилизации: изменение мощности нагрева, необходимой для термостабилизации зонда при заданной температуре в чистом (кривая 1) и обводненном до 40 ррт (кривая 2) трансформаторном масле. Стрелочка отмечает момент вскипания масла с характерным увеличением интенсивности теплообмена
Продолжительность нагрева, мс
Рис. 2 - Двухимпульсный режим: временные зависимости температуры зонда при нагреве в образцах зимнего дизельного топлива. Влагосодержание в образцах составляло: 1 -0 ppm; 2 - 200 ppm
отражает изменение мощности теплоотвода с поверхности зонда. Поскольку собственная теплоемкость зонда невелика, то наблюдаются значительные температурные отклонения. Высокая чувствительность достигается, если предварительно мощность нагрева подобрана под исследуемый образец для задания скорости догрева 10-20 град/мс и, таким образом, оказываются почти сбалансированными приходящие и уходящие потоки тепла. Оценки показывают, что чувствительность методики к изменениям интенсивности теплообмена среды с проволокой может быть лучше 10-5. Примечательно, что малые отклонения скорости догрева приводят, в конечном счете, к более значительным изменениям интервала времени догрева, что позволило простым способом построить чувствительный индикатор возмущений теплового потока с поверхности зонда с преобразованием в измеряемое значение интервала времени. Немаловажно, что все оценки проводятся
на миллисекундных интервалах времени и поэтому можно оценивать свойства перегретой жидкости.
Указанные преимущества второй методики позволили создать на ее основе инновационное устройство для импульсного теплового мониторинга диэлектрических технологических жидкостей в производственных условиях [6]. Заложенный принцип работы устройства позволяет оценивать за один цикл измерений две характеристики перегретой жидкости - значение температуры ее спонтанного вскипания и относительную интенсивность теплообмена зонда со средой вблизи температуры вскипания. С этой целью алгоритм цикла измерений построен в виде последовательных импульсных замеров длительности измерительного интервала с пошаговым приращением температуры зонда до достижения предельного значения интервала времени, соответствующего вскипанию жидкости. Достигнутая в этом цикле температура принимается за значение температуры вскипания, а интервал времени догрева на предыдущем шаге принимается за характеристику интенсивности теплообмена вблизи температуры вскипания.
Возможности устройства импульсного теплового контроля были проверены в опытах с изменением начальной температуры образцов трансформаторных масел до 100оС. Известно, что увеличение средней температуры приводит к уменьшению относительной влажности масла. Каким образом при этом изменяются температура вскипания и теплоотводящая способность масла при влагосодержании 5-50 ррм, ранее не было известно. Для испытаний взяли образцы масел марок ГК и АГК. Первый образец широко распространен в отечественной электроэнергетике и применяется в полосе умеренного климата. Второй образец специально разработан для северных и арктических условий применения и отличается от первого по составу.
Характерные результаты опытов представлены на рис. 3 и 4.
Исходная температура, °С
Рис. 3 - Поведение температуры вскипания для масла ГК чистого - 5 ррм (кривая 1) и увлажненного - 50 ррм (кривая 2) в зависимости от его исходной температуры
В опытах выяснено, что влияние увеличения содержания влаги в диапазоне 5-40 ррм для образца АГК выражается в интенсификации
теплообмена до 40% при температуре зонда 80-90ОС, температура вскипания при этом изменяется незначительно. Для масла типа ГК, напротив, интенсивность теплообмена в тех же условиях меняется незначительно при существенном (до 20 градусов) изменении температуры вскипания.
Рис. 4 - Изменение длительности импульса «догрева» для масла АГК чистого - 5 ррм (кривая 1) и увлажненного - 50 ррм (кривая 2) в зависимости от его исходной температуры
Поэтому, можно сделать вывод, что для оценки изменений в составе технологических жидкостей целесообразно использовать
комплексный критерий, включающий значение температуры вскипания и обобщенный параметр интенсивности теплообмена в системе зонд-жидкость.
Заключение
Ранее считалось, что обнаружение примесей в диапазоне 5-50 ррм возможно осуществить преимущественно методами химического анализа. Обнаруженный нами эффект высокой чувствительности процесса теплообмена в перегретой жидкости к следовым количествам летучей примеси позволил разработать метод и создать автоматическое устройство для определения влагосодержания в нефтепродуктах. Выяснено, что влияние примесей на интенсивность нестационарного теплообмена в системе зонд-жидкость может иметь различный характер для разных типов технологических жидкостей одинакового назначения и зависит от внешней температуры, меняющей состояние исследуемой жидкости. Целесообразно использовать
комплексный критерий оценки качества жидкости, включающий значение температуры вскипания и обобщенный параметр интенсивности теплообмена в системе зонд-жидкость.
Дальнейшее развитие метода предполагает разработку автоматической настройки на оптимальный режим при смене объекта контроля. Для выяснения природы различия в характере отклика на импульсный нагрев в образцах трансформаторного масла ГК и АГК нами будут поставлены сопоставительные опыты на модельных жидкостях.
Работа проведена в рамках ориентированных фундаментальных исследований УрО РАН (проект № 12-2-1-011-АРКТИКА) и РФФИ (проект № 13-08-00428).
Литература
1. Р.Р. Заббаров, И.Н. Гончарова, Вестник Казанского технологического университета, 4, 248-250 (2013).
2. А.М. Балашов, Вести в электроэнергетике, 4, 44-46 (2004).
3. В.В. Шангин. Дисс. канд.тех.наук, Уральский фед.ун-т, Екатеринбург, 2014. 149 с.
4. И.Р. Габитов, Р.Р. Гайфуллина, Р.А. Шарафутдинов, Ф.Н. Шамсетдинов, А.В. Радаев, А.Н. Сабирзянов, З.И.
Зарипов, Г.Х. Мухамедзянов, Вестник Казанского технологического университета, 6, 64-67 (2013).
5. Шангин В.В., Волосников Д.В., Сафонов В.Н., Старостин А.А., Скрипов П.В. Приборы, 5, 6-11 (2012).
6. К.В. Лукьянов, А.Н. Котов, А.А. Старостин, Датчики и системы, 10, 46-49 (2014).
7. П. А. Павлов, В.П. Скрипов, ТВТ, 3, 1, 109-114 (1965).
8. P.V. Skripov, S.E. Puchinskis, J. Appl. Polym. Sci., 59, 11, 1659-1665 (1996).
9. S.E. Puchinskis, P.V. Skripov, Int. J. Thermophys. 22, 6, 1755-1768 (2001).
10. В.В. Шангин, Д.В. Волосников, А.А. Старостин, П.В. Скрипов, Тепловые процессы в технике. 2013. 5, 9, 424432 (2013).
11. П.В. Скрипов, А.А. Старостин, Д.В. Волосников, ДАН, 392, 2, 192-195 (2003).
© Д. В. Волосников - кандидат физико-математических наук, ученый секретарь, администрация, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики Уральского отделения Российской академии наук, dima_volosnikov@mail.ru; Д. А. Галкин - аспирант, инженер лаборатории быстропротекающих процессов и физики кипения, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики Уральского отделения Российской академии наук, dmitry-gal@yandex.ru; К. В. Лукьянов - аспирант, инженер лаборатории высокотемпературных измерений, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики Уральского отделения Российской академии наук, r.t.f@bk.ru; А. А. Старостин - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории высокотемпературных измерений, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики Уральского отделения Российской академии наук, astar2006@mail.ru; В. В. Шангин - кандидат технических наук, главный специалист лаборатории высокотемпературных измерений, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики Уральского отделения Российской академии наук, astar2006@mail.ru;
© D. Volosnikov - candidate of physico-mathematical Sciences, academic Secretary, the administration, The Institute of Thermophysics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, dima_volosnikov@mail.ru; D. Galkin - postgraduate student, engineer of the laboratory of fast processes and physics of boiling, The Institute of Thermophysics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, dmitry-gal@yandex.ru; K Lukyanov - postgraduate student, engineer of the laboratory of high-temperature measurements, The Institute of Thermophysics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, r.t.f@bk.ru; A. Starostin -candidate of physico-mathematical Sciences, senior researcher of the laboratory of high-temperature measurements, The Institute of Thermophysics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, astar2006@mail.ru; V. Shangin - candidate of technical Sciences, chief specialist of the laboratory of high-temperature measurements, The Institute of Thermophysics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, astar2006@mail.ru.
